一种巷道底部双层反底拱的防底鼓结构及其施工方法

1.本发明涉及一种巷道防底鼓措施，具体涉及一种巷道底部双层反底拱的防底鼓结构及其施工方法。


背景技术：

2.我国煤矿主要是地下开采，需要在井下开掘大量巷道，采用巷道支护来保持巷道畅通和围岩稳定对煤矿建设与生产具有重要意义。对巷道进行支护的基本目的在于缓和及减少围岩的移动，使巷道断面不致过度缩小，同时防止已散离和破坏的围岩冒落。巷道支护的效果却不仅仅取决于支架本身的支承力，还受到围岩性质、支架力学性质(支承力和可缩性)、支架安设密度、安设支架时间的早晚、支架安设质量和与围岩的接触方式(点接触或面接触)等一系列因素的影响。
3.随着巷道支护技术的不断发展，现阶段对巷道顶板和两帮变形有很多有效的控制手段，然而对于巷道底鼓这类底板的变形却仍然难以有效控制。巷道底鼓由两帮和底板的围岩受地应力作用变形向巷道内偏移而产生，其严重阻碍巷道内部的运输和通行，威胁作业人员的生命安全，降低巷道的工作效率。
4.现有治理巷道底鼓的手段如：巷道反底拱、各种材料的巷道底部垫层、巷道底部锚杆锚索的布设等。但是，这类手段大部分没有重视两帮对底板的影响以及底板中间端变形最大这两重点，使得即便采用上述多种手段进行治理巷道底鼓，效果仍然不理想，导致后序过程中可能会造成底板的反复维修，进而影响经济效益。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种巷道底部双层反底拱的防底鼓结构及其施工方法，以解决现有技术中难以缓解或消除两帮对底板的影响，以及底鼓时底板中间端变形最大的问题，实现了底鼓的有效控制。
6.本发明的目的通过以下技术方案实现：
7.本发明第一方面公开了一种巷道底部双层反底拱的防底鼓结构，该防底鼓结构沿巷道轴向的设置于巷道底部，包括上层反底拱区域、下层反底拱区域、固定钢板和结构单元；
8.所述的上层反底拱区域于巷道内沿轴向全区段设置；所述的下层反底拱区域于巷道内沿轴向间隔设置，并且所述的下层反底拱区域宽于巷道宽度；所述的下层反底拱区域设置于上层反底拱区域下方；
9.所述的固定钢板嵌入巷道两侧底角；
10.所述的结构单元设置于下层反底拱区域内，两端与固定钢板固定连接；所述的结构单元为双层结构，上层贴合上层反底拱区域底边，下层贴合下层反底拱区域底边；
11.所述的上层反底拱区域和下层反底拱区域内浇筑混凝土垫层。
12.上层反底拱区域全区段布设，下层反底拱区域布设于上层反底拱区域下方，且下
层反底拱区域宽于巷道宽度，以此缓冲两帮的应力和围岩变形。
13.优选地，所述的下层反底拱区域沿巷道轴向间隔0.8-1m设置。
14.优选地，所述的固定钢板与结构单元同步设置。此处的同步设置指的是每开挖一处下层反底拱区域，便于相应位置的巷道两侧底角嵌入固定钢板，即固定钢板仅设置于开挖有下层反底拱区域的位置。
15.优选地，所述的固定钢板厚度为5cm。
16.优选地，所述的结构单元包括侧腰支撑段、顶层反底拱段、中层连接段和底层反底拱段；
17.所述的侧腰支撑段固定连接顶层反底拱段和底层反底拱段；所述的侧腰支撑段与固定钢板固定连接；
18.所述的中层连接段将侧腰支撑段与底层反底拱段相连。
19.优选地，所述的结构单元轴对称的分别设置于下层反底拱区域的两侧，两侧的结构单元之间通过顶层卡缆和底层卡缆固定连接；所述的顶层卡缆连接两侧的顶层反底拱段；所述的底层卡缆连接两侧的底层反底拱段以及中层连接段与底层反底拱段。
20.结构单元中的中层连接段将两侧的侧腰支撑段与底层反底拱段相连，与顶层反底拱段配合形成三边向内弯曲的倒置类三角形，以此向巷道两侧分散底部中段的地应力。
21.优选地，所述的结构单元于下层反底拱区域内沿巷道轴向间隔设有一对。
22.优选地，所述的结构单元采用u型钢。
23.优选地，所述的混凝土垫层由细砂水泥砂浆或中砂水泥砂浆浇筑得到。细砂水泥砂浆能够使混凝土强度得到快速发展，以便更好地维持下层反底拱区域的形状。
24.更进一步优选地，所述的下层反底拱区域的混凝土垫层采用中砂水泥砂浆浇筑时，配合混凝土早强剂使用，以提高下层反底拱区域的混凝土垫层的早期强度。混凝土早强剂根据施工现场的条件选择。
25.本发明第二方面公开了一种如上任一所述的巷道底部双层反底拱的防底鼓结构的施工方法，包括如下步骤：
26.s1：在巷道底板全区段沿巷道轴向挖掘出上层反底拱区域；
27.s2：在上层反底拱区域下方沿巷道轴向间隔挖掘下层反底拱区域，同时在下层反底拱区域的巷道两侧底角嵌入固定钢板，通过固定钢板固定安装结构单元；
28.s3：完成巷道内所有结构单元的固定安装后，浇筑下层反底拱区域形成下层混凝土垫层，并于巷道全区段铺设钢筋网；
29.s4：浇筑上层反底拱区域至完全覆盖结构单元和钢筋网，并通过振捣机捣实形成上层混凝土垫层。
30.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
31.1、本发明提供巷道底部双层反底拱的防底鼓结构，具有双层反底拱，其中下层反底拱区域大于巷道宽度并在左右两侧设置侧圆弧，在浇筑混凝土后一定程度上能阻碍巷道左右两帮的能量向巷道底板转移，从而抑制底鼓；双层反底拱结构中的结构单元呈现为具有三条向内弧形边的倒三角，以联结左右下三侧，通过此种结构让巷道底板所受的地应力由中间段向左右分散，以此控制巷道底板中间段和左右段变形量的差，保证底板的整体平缓；下层反底拱采用分段开挖，以及挖一段支撑一段结构单元的方法，防止开挖反底拱过程
中左右帮的下塌，以保证巷道围岩施工过程中的稳定，同时节省经济成本。
32.2、本发明通过巷道底部设置双层反底拱结构，在抑制巷道底鼓的基础上使巷道底部应力的分布由中间向两侧调整，防止应力过于向底板中间段集中导致巷道底板中间段与两侧变形量差距过大而产生的大底鼓。本发明具有施工安装简便，整体结构强度高，韧性强的优点，能有效的抑制巷道底鼓。
附图说明
33.图1为设置本防底鼓结构的巷道的侧视结构示意图；
34.图2为设置本防底鼓结构的巷道的结构示意图；
35.图3为设置本防底鼓结构的巷道的上、下层混凝土垫层分界线示意图；
36.图4为固定钢板的结构示意图；
37.图5为侧腰支撑段的结构示意图；
38.图6为结构单元各段连接处的结构示意图；
39.图7为中层连接段端头一个角度的结构示意图；
40.图8为中层连接段端头另一角度的结构示意图；
41.图9为顶层卡缆连接处的俯视结构示意图；
42.图10为底层卡缆连接处的俯视结构示意图；
43.图中：1-固定钢板；2-侧腰支撑段；3-顶层反底拱段；4-中层连接段；5-底层反底拱段；6-下层反底拱区域；7-上层反底拱区域；8-钢板螺孔；9-顶部螺孔；10-焊接点；11-中上部螺孔；12-凸起钢段；13-端头螺孔；14-中层连接螺栓；15-底层连接螺栓；a-顶层卡缆；b-底层卡缆；
ⅰ‑
防底鼓结构；
ⅱ‑
中层连接段端头。
具体实施方式
44.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
45.实施例1
46.一种巷道底部双层反底拱的防底鼓结构，如图1-10所示，该防底鼓结构ⅰ沿巷道轴向的设置于巷道底部，包括上层反底拱区域7、下层反底拱区域6、固定钢板1和结构单元；
47.上层反底拱区域7于巷道内沿轴向全区段设置；下层反底拱区域6于巷道内沿轴向间隔设置，并且下层反底拱区域6宽于巷道宽度；下层反底拱区域6设置于上层反底拱区域7下方；
48.固定钢板1嵌入巷道两侧底角；
49.结构单元设置于下层反底拱区域6内，两端与固定钢板1固定连接；结构单元为双层结构，上层贴合上层反底拱区域7底边，下层贴合下层反底拱区域6底边；
50.上层反底拱区域7和下层反底拱区域6内浇筑混凝土垫层。
51.更具体地，本实施例中：
52.防底鼓结构ⅰ由上层反底拱区域7全区段布设，下层反底拱区域6于上层反底拱区域7下方分段布设，为宽于巷道的椭圆状的大弧线形，以此缓冲两帮的应力和围岩变形；结构单元中存在中层连接段4，中层连接段4与顶层反底拱段3共同呈现为具有三边向内弧形边的倒三角，以联结结构单元两侧的侧腰支撑段2和底部的底层反底拱段5，以此向巷道底
部两侧分散底部中段的地应力，以有效控制底鼓。
53.如图1所示，本实施例中的防底鼓结构ⅰ根据下层反底拱区域6进行了依次分段布设，相邻间隔控制在0.8-1m。
54.如图2和图3所示，本实施例全段开挖上层反底拱区域7，开挖完成后分段开挖下层反底拱区域6，下层反底拱区域6要求宽于巷道底板宽度，并在两侧设置侧圆弧形成椭圆状圆弧，以阻碍巷道左右两帮的能量向巷道底板转移。为防止巷道左右帮的提前下陷，结构单元在下层反底拱区域6进行分段开挖时，每开挖一段便安装一段。下层结构单元安装完成之后，首先对下层分段的下层反底拱区域6使用细砂水泥砂浆进行浇筑，浇筑至图示虚线所示位置，适当露出中层连接段4部分钢段，以便于后续顶层反底拱段3下表面的凹槽(u型钢的开口)同中层连接段4部分钢段上表面的凸起贴合安装，随后上层反底拱区域7全区段铺设钢筋网，再进行上层的结构单元(顶层反底拱段3)安装，接着对上层全区段的上层反底拱区域7使用细砂水泥砂浆进行浇筑，浇筑至完全覆盖所有钢单元及钢筋网，最后使用振捣机捣实。
55.结构单元的安装，具体地，如图4-10所示。
56.如图4和图5所示，巷道底角两侧分别插入固定钢板1，在固定钢板1靠近巷道内侧的两端各设有两个钢板螺孔8供底部结构单元的连接，同时在侧腰支撑段2的顶部开设有与钢板螺孔8对应的顶部螺孔9，通过螺栓穿过钢板螺孔8和顶部螺孔9以固定固定钢板1和侧腰支撑段2。侧腰支撑段2与顶层反底拱段3在浇筑完成下层反底拱区域6后于焊接点10处进行焊接固定形成刚性连接，保证整体的结构强度。
57.如图6所示，侧腰支撑段2底部设置凸起钢段12，于凸起钢段12上开设有底部螺孔，同时在底层反底拱段5端头处设有与底部螺孔相对应的端头螺孔13，通过底层连接螺栓15穿过底部螺孔和端头螺孔13以固定侧腰支撑段2和底层反底拱段5。
58.如图7和图8所示，在中层连接段端头ⅱ处，于内部焊接固定厚钢片，厚钢片上开设有一对厚钢片螺孔，同时在侧腰支撑段2中上部开设有与厚钢片螺孔相对应的中上部螺孔11，通过中层连接螺栓14穿过厚钢片螺孔和中上部螺孔11以固定中层连接段4和侧腰支撑段2。
59.如图9所示，两侧的顶层反底拱段3通过顶层卡缆a固定连接。
60.如图10所示，两侧的底层反底拱段5通过底层卡缆b固定连接，同时底层卡缆b还固定中层连接段4与底层反底拱段5，因此底层卡缆b采用六螺孔设计的卡缆，相应地，需要使用长螺栓进行各段的连接固定。
61.结构单元在下层反底拱区域6内设置一对，一前一后的间隔设置，两者分别固定于同一固定钢板1的前端和后端。
62.其中需要注意的是：
63.固定钢板1厚度为5cm，固定钢板1布置于巷道两侧底角，固定钢板1沿巷道的轴向长度适配巷道底部结构单元的安装需求，固定钢板1靠近巷道内侧的两端各设有两个钢板螺孔8供底部结构单元(侧腰支撑段2)的连接；
64.下层反底拱区域6的轮廓为椭圆状的大弧线形；
65.结构单元的各段均采用u型钢；
66.侧腰支撑段2的中上部螺孔11为朝向巷道径向设置的螺孔，侧腰支撑段2的底部螺
孔为朝向巷道轴向设置的螺孔；厚钢片的厚钢片螺孔与侧腰支撑段2的中上部螺孔11一致，为朝向巷道径向设置的螺孔；底层反底拱段5的端头螺孔13与侧腰支撑段2的底部螺孔一致，为朝向巷道轴向设置的螺孔；
67.厚钢片的厚度根据实际需求确定，满足结构连接强度即可。
68.顶层反底拱段3安装到位后，其上表面同上层反底拱区域7的圆弧对齐。
69.该防底鼓结构ⅰ的施工方法，包括如下步骤：
70.s1：在巷道底板全区段沿巷道轴向挖掘出上层反底拱区域7；
71.s2：在上层反底拱区域7全区段开挖设置的下方沿巷道轴向间隔0.8～1m挖掘下层反底拱区域6。每进行一个下层反底拱区域6开挖的同时在所处挖掘段的巷道两底角各嵌入固定钢板1，先利用固定钢板1安装侧腰支撑段2，接着在侧腰支撑段2上分别安装中层连接段4和底层反底拱段5，并通过底层卡缆b固定中层连接段4和底层反底拱段5以及两侧的底层反底拱段5；
72.s3：有序完成s2中所述所有下层反底拱区域6的开挖和结构单元的安装后，使用细砂水泥砂浆浇筑下层反底拱区域6，随后将顶层反底拱段3焊接于侧腰支撑段2上并通过顶层卡缆a将两侧的顶层反底拱段3固定安装至与上层反底拱区域7底边弧形对齐，再在全巷道区段铺设贴合上层反底拱区域7的钢筋网；
73.s4：利用细砂水泥砂浆浇筑上层反底拱区域7，直至完全覆盖所有结构单元及钢筋网，再使用振捣机捣实。
74.实施例2
75.结构以及施工方法与实施例1基本相同，区别在于进行浇筑时采用中砂水泥砂浆，并且在浇筑下层反底拱区域6时配合混凝土早强剂使用，保证下层反底拱区域6的早期强度能够达标，进而能够维持下层反底拱区域6的形状。具体选用的混凝土早强剂应根据施工现场的状况确定。
76.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。